WO2002103091A1 - SILICON SINGLE CRYSTAL WAFER HAVING VOID DENUDED ZONE ON THE SUFRACE AND DIAMETER OF AVOBE 300 mm AND ITS PRODUCTION METHOD - Google Patents

SILICON SINGLE CRYSTAL WAFER HAVING VOID DENUDED ZONE ON THE SUFRACE AND DIAMETER OF AVOBE 300 mm AND ITS PRODUCTION METHOD Download PDF

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Abstract

A silicon single crystal wafer having a diameter of above 300 mm is characterized in that a denuded zone free of COP over a depth of 3 µm or more from the surface is present. A silicon single crystal production method is also disclosed in which a silicon single crystal is grown by pulling a silicon single crystal having a diameter of 300 mm or more at a speed V [mm/min] by the CZ method while doping it with nitrogen in such a way that the ratio V/G [mm2/K · min] is below 0.17 where G [K/mm] is the average of the temperature gradient between the melting point of silicon and 1400 ° C in the crystal along the axis of the pulling. Thus, the silicon single crystal pulling condition and the wafer heat-treatment condition of producing a silicon single crystal wafer having a denuded zone free of COP at a sufficient depth in the surface by pulling a silicon single crystal of a diameter of 300 mm or more, machining the crystal into a wafer, and heat-treating the wafer are established.

Description

明 細 書 表層部にボイ ド無欠陥層を有する直径 3 0 O m m以上 のシリ コ ン単結晶ゥェ一ハおよびその製造方法 技術分野  Description Silicon single crystal wafer with a diameter of 30 Om m or more having a void-free layer on the surface layer and a method of manufacturing the same
本発明は、 直径 3 O O m m以上の高機能、 無欠陥層を有するシ リ コ ン 単結晶ゥエーハおよびその製造方法に関する。 背景技術 チヨ ク ラルスキ一法 ( C Z法) によ り製造された窒素 ド一プしたシリ コ ン単結晶をゥエーハに加工した後、 アルゴン等の不活性ガス雰囲気で 高温長時間の熱処理 (ァニールという こ と がある) を施したシ リ コ ンゥ ェ一ハは、 ゥェ一ハ表面のデバイ ス活性層の完全性を高め、 デバイ ス作 製に必要な少なく と も表面から 3 μ m程度の深さまでの領域を無欠陥化 し、 力 つ、 バルタ中の B MD (Bulk Micro Defect ) と呼ばれるゲッタ リ ングサイ ト となる酸素析出物密度を増加させるこ とによ り 、 金属不純 物等に対するゲッタ リ ング能力を高めた製品と して、 最近注目 されてい る。  The present invention relates to a silicon single crystal wafer having a high-performance, defect-free layer having a diameter of 3 OO mm or more and a method for producing the same. BACKGROUND ART Nitrogen-doped silicon single crystals produced by the Czochralski method (CZ method) are processed into wafers, and then subjected to a high-temperature, long-time heat treatment (anneal) in an inert gas atmosphere such as argon. Silicon wafers that have been subjected to the above process enhance the integrity of the device active layer on the wafer surface, and at least about 3 μm from the surface required for device fabrication. By removing the defect up to the depth and increasing the density of oxygen precipitates that serve as gettering sites called BMDs (Bulk Micro Defects) in the balta, getters for metal impurities etc. Recently, it has attracted attention as a product with enhanced ring capability.
この技術が適用 された製品と しては、 現在、 直径 2 0 0 m m以下のゥ エーハが主流であるが、 現在開発中である直径が 3 0 0 mmのゥエーハ に対しても適応が試みられており 、 今後益々直径が 3 0 0 m m以上のゥ エーハへの需要は拡大していく ものと推定される。  Currently, the mainstream of products to which this technology has been applied is a wafer with a diameter of 200 mm or less, but attempts have been made to adapt it to a wafer with a diameter of 300 mm, which is currently under development. Therefore, it is estimated that demand for wafers having a diameter of 300 mm or more will increase in the future.
と こ ろが、 直径 3 0 0 m m以上の結晶は、 その製造に用いられる引上 げ機の容積がかな り大きいこ とによ り熱容量が大きいこ と と、 比熱の影 響によ り 、 引上げ結晶の冷却がなかなか進まない。 そのため、 シ リ コ ン 単結晶中のボイ ド欠陥 ( C O P と も呼ばれている) のサイズが大き く な り 、 窒素 ドープした単結晶ゥェ一ハであっても、 その後の標準的なァニ ール条件 ( 1 2 0 0 °C、 1 時間、 アルゴン雰囲気) 下では、 ボイ ド欠陥 はゥエーハの極く 表面しか消滅させられないこ とが明 らかになつてきた。 結晶の冷却がなかなか進まないとい う現象は、 従来のゥエーハ直径の 世代交代の際 (例えば、 直径 1 5 O m mから直径 2 0 0 m mへの転換期) にも同様の現象が起こっていたわけであるが、 直径を 2 0 O m mから 3However, crystals with a diameter of 300 mm or more have a large heat capacity due to the large capacity of the pulling machine used for their production, and an influence of the specific heat. The cooling of the pulled crystal is not easy. As a result, the size of void defects (also referred to as COP) in a silicon single crystal becomes large, and even if a nitrogen-doped single crystal wafer is used, the subsequent standard antenna is used. It has been clarified that under the cooling conditions (120 ° C, 1 hour, argon atmosphere), void defects can be eliminated only on the very surface of the wafer. The phenomenon that the cooling of the crystal does not proceed easily is the same phenomenon that occurred during the conventional generation change of the wafer diameter (for example, the transition from 150 mm in diameter to 200 mm in diameter). But with diameters from 20 O mm to 3
0 0 m mへ拡大する際の引上げ機の容積や結晶体積の大幅な増加に比べ ればその影響は少なく 、 結果的に現状の標準的なァニール条件 ( 1 .2 0The effect is small compared to the large increase in the volume of the puller and the crystal volume when expanding to 0 mm, and as a result, the current standard annealing conditions (1.20
0 °C、 1 時間、 アルゴン雰囲気) でボイ ド欠陥を十分な深さ (少な く と も 3 μ m ) まで消滅させるこ とができ ていた。 At 0 ° C for 1 hour in an argon atmosphere, void defects could be eliminated to a sufficient depth (at least 3 μm).
また、 そもそも結晶引上げ時に導入されるいわゆるグロ ーイ ン欠陥に 対する研究が盛んに行われる よ う になったのはこ こ数年程度前からのこ とであり 、 その時にはまだ直径 3 0 0 m mのゥエーハは量産レベルには 全く 達しておらず、 よ うやく 形状サンプルが可能になる時期であつたの で、 直径 3 0 O m mのゥエーハをァニールしてグロ ーイ ン欠陥を消滅さ せる とい う発想はなく 、 ま して、 直径 3 0 0 m mゥエーハのグローイ ン 欠陥をァニールによ り消滅させるこ と が、 直径 2 0 O m mのゥエーハに 比べて格段に困難になるとい う現象は、 現在に至るまで全く 予測されて いなかった。  In the first place, research on the so-called glow-in defect introduced during crystal pulling has been actively conducted about several years ago. mm-dia wafers have not reached mass-production level at all, and it is only time that shape samples are possible, so we can anneal a 30-mm-diameter wafer to eliminate glow-in defects. There is no such idea.However, it is much more difficult to eliminate glow-in defects with a diameter of 300 mm @ e by anneal than with @ 20 mm in diameter. To date, it has never been predicted.
発明の開示 Disclosure of the invention
そこで本発明は、 かかる問題を解決するためになされたも ので、 直径 3 0 O m m以上のシリ コン単結晶を引上げてゥエーハに力!]ェし、 ゥエー ハを熱処理して表層の十分な深さに C O Pのない無欠陥層を有するシリ コ ン単結晶ゥエーハを得るためのシリ コ ン単結晶引上げ条件およびゥェ —ハの熱処理条件を確立するこ と を主たる 目的とする。  Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem. Therefore, a silicon single crystal having a diameter of 30 Omm or more is pulled up and a power is applied to a wafer! The silicon single crystal pulling condition and the wafer heat treatment condition to obtain a silicon single crystal wafer with a COP-free defect-free layer at a sufficient depth in the surface layer by heat-treating the wafer The main purpose is to establish
上記課題を解決するために本発明に係るシ リ コ ン単結晶ゥエーハは、 直径 3 0 O m m以上のシリ コ ン単結晶ゥエーハであって、 表面から 3 ミ ク 口 ン以上にわたって C O Pのない無欠陥層が存在するこ と を特徴と し ている。 In order to solve the above-mentioned problems, a silicon single crystal wafer according to the present invention is a silicon single crystal wafer having a diameter of 30 O mm or more, and has no COP over a surface area of 3 μm or more. Characterized by the presence of a defect layer ing.
こ のよ う に本発明では、 実際に直径 3 0 0 m m以上のシリ コ ン単結晶 ゥエ ー八であって、 表面力、ら 3 ミ ク ロ ン以上にわたって C O Pのない無 欠陥層が存在する結晶性に優れた高品質の熱処理シ リ コ ン単結晶ゥエー ノ、を提供するこ と ができ る。  As described above, in the present invention, a silicon single crystal layer having a diameter of 300 mm or more is actually a defect-free layer having no COP over 3 μm or more in surface force. Thus, it is possible to provide a high-quality heat-treated silicon single crystal nano-crystal having excellent crystallinity.
また、 本発明に係るシ リ コ ン単結晶の製造方法は、 チ ヨ ク ラルス キー 法によ り 窒素を ドープして直径 3 0 O mm以上のシリ コ ン単結晶を引上 げる際に、 引上げ速度を V [ m m / m i n ] と し、 シ リ コ ンの融点から 1 4 0 0 °Cの間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値を G [ K / m m ] で表した時、 V / G [ m m 2 / K · m i n ] の値を 0 . 1 7以下と して結晶を育成するこ と を特徴と している。 In addition, the method for producing a silicon single crystal according to the present invention is characterized in that a silicon single crystal having a diameter of 30 O mm or more is pulled up by doping nitrogen by the chiral key method. The pulling speed was defined as V [mm / min], and the average value of the temperature gradient in the crystal along the pulling axis between 140 ° C and the melting point of silicon was expressed as G [K / mm]. time, the value of V / G [mm 2 / K · min] 0. 1 7 follows and characterized the growing child crystals.
このよ う に、 直径 3 0 0 m m以上のシリ コン単結晶を引上げる際に、 窒素を ドープし、 ノ ラメータ V / Gの値を 0 . 1 7以下になる よ う に V と Gを調整して結晶を育成すれば、 C O Pサイ ズの縮小が可能とな り 、 その後熱処理を行えば、 確実に表層の無欠陥層の深さを深くするこ とが でき るシリ コ ン単結晶を得る こ とができ る。 尚、 引上げ速度の低下によ り 生産性が著しく 低下するこ とを回避するためには、 V Z Gの値は 0 . 1 以上とする必要があ り 、 0 . 1 3以上であれば、 引上げ結晶中に微小 な転位があっても、 後のァニールによって除去するこ とができ る。 また、 0 . 1 4 6以上であれば、 引上げ結晶中の転位を完全にフ リ ーにするこ と ができ るので、 よ り好ま しい。  As described above, when pulling a silicon single crystal having a diameter of 300 mm or more, doping with nitrogen and adjusting V and G so that the value of the voltmeter V / G becomes 0.17 or less. If the crystal is grown by heating, the COP size can be reduced, and then heat treatment can be performed to obtain a silicon single crystal that can reliably increase the depth of the defect-free layer on the surface be able to. The value of VZG must be at least 0.1 in order to avoid a significant decrease in productivity due to a decrease in pulling speed. Even if there are minute dislocations inside, they can be removed by annealing later. Further, when the value is 0.146 or more, the dislocations in the pulled crystal can be completely free, which is more preferable.
この場合、 窒素を ド一プする際の窒素濃度を 1 X 1 0 13/ c m 3 以上 と して結晶を育成するこ とが好ま しい。 In this case, it is preferable to grow the crystal with a nitrogen concentration of 1 × 10 13 / cm 3 or more when dropping nitrogen.
こ のよ う に窒素濃度を高濃度化すれば、 ゥエ ーハ表面の C O P のない 無欠陥層の深さをよ り一層深く するこ とができ る と と もに、 バルク中の B M Dを増加させて、 十分な I G能力を有する ゥエ ーハを製造する こ と ができ る。  By increasing the nitrogen concentration in this way, the depth of the defect-free layer without COP on the wafer surface can be further increased, and the BMD in the bulk can be reduced. By increasing the number, it is possible to manufacture wafers having sufficient IG capability.
さ らに、 本発明に係るシ リ コ ン単結晶ゥエーハの製造方法は、 直径 3 JP02/05692 Further, the method for producing a silicon single crystal wafer according to the present invention has a diameter of 3 mm. JP02 / 05692
4 Four
0 O m m以上の窒素が ドープされたシリ コ ン単結晶ゥェ一ハに熱処理を 施すシリ コン単結晶ゥヱーハの製造方法において、 不活性ガスまたは水 素あるいはこれらの混合ガスの雰囲気下、 1 2 3 0 °C以上、 1 時間以上 の熱処理を施すこ と を特徴と している。 In a method for producing a silicon single crystal wafer in which a silicon single crystal wafer doped with nitrogen of 0 O mm or more is subjected to a heat treatment, an inert gas, hydrogen, or a mixed gas of these gases is used. It is characterized by performing heat treatment at 30 ° C or more for 1 hour or more.
このよ う に、 直径 3 0 0 m m以上のシリ コン単結晶ゥエーノヽでは、 不 活性ガスまたは水素あるいはこれらの混合ガス の雰囲気下の熱処理は、 As described above, in the case of silicon single crystal (Aeno) having a diameter of 300 mm or more, heat treatment in an atmosphere of an inert gas, hydrogen, or a mixture of these gases is difficult.
1 2 3 0 °C以上、 1 時間以上施せば、 ゥエーハ表面から 3 /z m以上の深 さにわたって、 C O Pのない無欠陥層を形成させる こ とができ、 高機能、 高品質の熱処理シ リ コ ン単結晶ゥエーハを製造する こ とができ る。 When applied at 1 230 ° C or more for 1 hour or more, a COP-free defect-free layer can be formed over a depth of 3 / zm or more from the wafer surface. A single crystal wafer can be manufactured.
特に、 本発明に係るシリ コ ン単結晶ゥェ一ハの製造方法は、 上記のよ う に窒素を ド一プし、 VZ Gを所定値以下と して育成する方法で製造さ れたシリ コ ン単結晶をス ラ イ ス して得られるシリ コ ン単結晶ゥエーハに 上記で規定する熱処理を施すこ と を特徴と しており 、 こ の よ う な製造方 法によれば、 直径 3 0 0 m m以上のゥェ一ハに対して、 ゥェ一ハ表面か ら 3 m以上の深さにわたって、 確実に C O Pのない無欠陥層を形成さ せる こ とができ、 高機能、 高品質の熱処理ゥェ一ハを製造するこ とがで き る。  In particular, in the method for producing a silicon single crystal wafer according to the present invention, as described above, silicon is produced by a method in which nitrogen is doped and VZG is grown to a predetermined value or less. It is characterized in that a silicon single crystal wafer obtained by slicing a silicon single crystal is subjected to the heat treatment specified above. According to such a manufacturing method, the diameter of the silicon single crystal wafer is 3 mm. COP-free defect-free layer can be reliably formed over a depth of 3 m or more from the wafer surface for wafers with a thickness of 0 mm or more. The heat treatment wafer can be manufactured.
以上説明 したよ う に、 本発明によれば、 直径 3 0 0 m m以上のシ リ コ ン単結晶ゥエーハを熱処理して表層に C O Pのない無欠陥層を有するシ リ コ ン単結晶ゥエーハを得るためのシ リ コ ン単結晶引上げ条件と して低 V Z Gおよびゥエーハの熱処理条件と して高温ァニールを採用 したこ と によ り 、 低コ ス ト で、 C O Pのない無欠陥層の深さが 3 μ πι以上である 高機能、 高品質熱処理ゥエーハを得るこ とができ る。  As described above, according to the present invention, a silicon single crystal wafer having a diameter of 300 mm or more is heat-treated to obtain a silicon single crystal wafer having a defect-free layer having no COP on its surface. Low VZG and high temperature annealing were used as the silicon single crystal pulling conditions for the heat treatment of the wafer, and the depth of the defect-free layer with low cost and no COP was increased. High-performance, high-quality heat-treated wafers with 3 μπι or more can be obtained.
発明を実施するための最良の形態 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明について、 さ らに詳細に説明するが、 本発明はこれらに 限定されるも のではない。  Hereinafter, the present invention will be described in more detail, but the present invention is not limited thereto.
本発明者等は、 直径 3 0 0 m m以上のシリ コ ン単結晶ゥェ一ハを熱処 理して表層に十分な深さのある C O Pのない無欠陥層を有するシ リ コ ン 単結晶ゥエーハを製造する方法を確立するため、 シリ コ ン単結晶引上げ 条件およびゥエーハの熱処理条件について鋭意調査、 実験を行い、 諸条 件を見極めて本発明を完成させた。 The present inventors heat-process a silicon single crystal wafer having a diameter of 300 mm or more. In order to establish a method for manufacturing a silicon single crystal silicon wafer with a COP-free defect-free layer having a sufficient depth in the surface layer, we have conducted intensive research on silicon single crystal pulling conditions and heat treatment conditions for silicon wafers. Experiments were conducted, and various conditions were determined to complete the present invention.
C O P ( Crystal Originated Particle ) は、 点欠陥である空孔が凝集 して形成される欠陥 (ボイ ド) であり 、 ゥエーハの酸化膜耐圧を劣化さ せる原因となる。 ゥエーハを S C — 1 洗浄 (N H 4 O H : H 2 O 2 : H 2 0 = 1 : 1 : 1 0 の混合液によ る洗浄) する と選択エッチングされ、 ピッ ト と して顕在化する。 こ の ピ ッ ト の直径は Ι μ πι以下であり 、 光散 乱法で調べる こ とができ る。 COP (Crystal Originated Particle) is a defect (void) formed by agglomeration of vacancies, which are point defects, and causes the oxide film breakdown voltage of the wafer to deteriorate.ゥ When the wafer is washed with SC-1 (washing with a mixed solution of NH 4 OH: H 2 O 2 : H 20 = 1: 1: 1: 10), it is selectively etched and becomes visible as pits. The diameter of this pit is less than Ιμπι and can be examined by the light scattering method.
また、 最近の高感度の光散乱法によ る検査装置を用いれば、 S C — 1 洗浄等の顕在化処理せずに検出するこ と もでき る。  In addition, if a recent high-sensitivity inspection device based on the light scattering method is used, it is possible to detect without revealing treatment such as SC-1 washing.
前述のよ う に、 直径 3 0 0 m m以上のシリ コ ン単結晶の育成では、 結 晶の冷却速度が遅く 、 空孔の凝集が進み、 C O Pのサイ ズが大き く なつ てァニールによ り 消滅し難く なる。  As described above, when growing a silicon single crystal having a diameter of 300 mm or more, the cooling rate of the crystal is slow, vacancy agglomeration progresses, and the size of the COP increases, resulting in an increase in the size of the COP. It is hard to disappear.
従って、 直径 3 0 0 mm以上のシリ コンゥエーノ、において、 ァニール 後の ゥェ一ハ表面に C O Pのない無欠陥層の十分な深さを得るためには、 ( 1 ) C O Pのサイズを小さ く する、 ( 2 ) 熱処理温度 ·時間を高温 - 長時間化する、 の二つの手段が考えられる。  Therefore, in order to obtain a sufficient depth of a defect-free layer without COP on the wafer surface after annealing in a silicon wafer with a diameter of 300 mm or more, (1) reduce the size of the COP. (2) The heat treatment temperature and time can be raised to a high temperature for a long time.
そ こで、 まず直径 3 0 0 m m (直径 1 2 イ ンチ) の結晶について、 急 冷して空孔の凝集を抑止するこ と による C O Pサイ ズの縮小の可能性を 検討するこ と にし、 単結晶引上げ機の H Z ( H o t Z o n e : 炉内構 造) を改造して、 欠陥凝集温度帯である 1 1 0 0 °C近辺の急冷を試みた。  Therefore, for a crystal with a diameter of 300 mm (diameter of 12 inches), the possibility of reducing the COP size by quenching to suppress the aggregation of vacancies was first examined. A single crystal puller HZ (Hot Z one: furnace structure) was modified to attempt rapid cooling near 110 ° C, which is the defect aggregation temperature zone.
しかしながら、 も と も と引上げ機の熱容量が大きいため、 1 . 5〜 1 . 7 °Cノ m i n の冷却速度が限度であり 、 劇的な急冷 (満足な C O Pサイ ズが得られる急冷) は達成できなかった。  However, since the heat capacity of the lifter is originally large, the cooling rate of 1.5 to 1.7 ° C min is the limit, and dramatic quenching (quick cooling to obtain a satisfactory COP size) is achieved. could not.
次に引上げ速度 V [ m m/ m i n ] を変化させた り 、 引上げ軸方向の 結晶内温度勾配の平均値 G [ K / m m ] の面内分布を改善するこ とによ り 、 パラ メ —ター と して V / G [ m m 2 / K · m i n ] 値をコ ン ト 口一 ルして、 点欠陥の導入を制御する こ と によ り 、 C O Pサイ ズの縮小を試 みた。 Next, by changing the pulling speed V [mm / min] or improving the in-plane distribution of the average value G [K / mm] of the temperature gradient in the crystal in the pulling axis direction. Ri, para main - the V / G [mm 2 / K · min] value and Control This setup port one cycle by a coater, Ri by the and this to control the introduction of point defects, a reduction of COP size I tried.
V Z Gの算出は、 F E M A Gを用い、 H Z を考慮 して行 う こ と ができ る。  The calculation of VZG can be performed by using FEMAG and taking into account HZ.
こ こ で F E M A Gは、 文献 ( F . D u p r e t , P . N c o d e m e , Y . R y c k m a n s , P . W o u t e r s , a d M . J . C r o c h e t , I n t . J . H e a t M a s s T r a n s f e r , 3 3 , 1 8 4 9 ( 1 9 9 0 )) に開示 されている総合伝熱解析 ソ フ ト であ る。  Here, FEMAG describes the literature (F. D upret, P. N codeme, Y. Ryckmans, P. W outers, ad M. J. Crochet, Int. J. Heat Mass Transfer, 33 , 1849 (1990)) is a comprehensive heat transfer analysis software.
その結果、 V / G値が 0 . 1 7 mm2 / K · m i n以下でよ うやく 満 足でき る C O Pサイ ズである平均約 8 O n mと な り 、 標準ァニ一ル条件 ( 1 2 0 0 °C、 1 時間、 アルゴン雰囲気) 下で C 〇 P のない無欠陥層の 深さ 3 μ πιを達成する こ と が出来た。 この と き の窒素濃度は 3 X I 0 13 / c m 3 〜 1 0 X 1 0 13/ c m 3 であっ た。 As a result, the COP size that can be satisfied only when the V / G value is 0.17 mm 2 / K · min or less is about 8 O nm on average, and the standard annealing conditions (1 2 Under an atmosphere of argon (at 0 ° C for 1 hour), a defect-free layer depth of 3 μπι without C〇P was achieved. Nitrogen concentration of the door-out met 3 XI 0 13 / cm 3 ~ 1 0 X 1 0 13 / cm 3.
こ の よ う に V / G値を低下 させる こ と に よ り 、 C O P のサイ ズも密度 も小 さ く する こ と ができ るのは、 次の よ う に考え られる。 すなわち、 低 V G値化に よ り 、 点欠陥である空孔と格子間シ リ コ ンの濃度差が減少 する。 従っ て、 凝集してボイ ドを形成する のに寄与する空孔量が減少 し、 凝集温度の低温化が起こ る。 低温化によ り 、 少ない密度の空孔が凝集し に く く な り 、 ボイ ドのサイ ズが小 さ く なる。 サイ ズが小 さ く なればボィ ドが小さ過ぎる も のは、 検出 されないので、 欠陥密度も減少する こ と に な る。  By reducing the V / G value in this way, the size and density of the COP can be reduced as follows. In other words, the lowering of the VG value reduces the concentration difference between the vacancies, which are point defects, and the interstitial silicon. Therefore, the amount of vacancies contributing to the formation of voids by agglomeration is reduced, and the aggregation temperature is lowered. By lowering the temperature, pores having a low density are less likely to aggregate, and the size of the voids is reduced. If the size is too small, the void is too small to be detected, which will also reduce the defect density.
尚、 C O P のない無欠陥層の深 さの測定は、 作製 されたこれ らの ゥェ ーハを表面から所定の深さ まで研磨加工した後の表面に熱酸化膜を形成 し、 それぞれの深 さにおける熱酸化膜の耐圧特性 [ T Z D B (Time Zer o Dielectric Breakdown) ] 良品率を測定する こ と によ り行っ た。 T Z D B 良品率は、 ボイ ド欠陥 ( C O P ) と よい相関があ り 、 ボイ ド欠陥が多 いと良品率が低下するこ とが判っている。 The depth of the defect-free layer without COP was measured by polishing these fabricated wafers from the surface to the specified depth, forming a thermal oxide film on the surface, and forming each depth. The breakdown voltage characteristics of the thermal oxide film at the time [TZDB (Time Zero Dielectric Breakdown)] were determined by measuring the yield rate. The TZDB non-defective rate has a good correlation with the void defect (COP). It is known that the rate of non-defective products will decrease.
T Z D B良品率の測定にあたっては、 ゥエーハ表面に 2 5 n mの熱酸 化膜を形成し、 その上にさ らにリ ン ( P ) ドープポリ シ リ コ ン電極 (電 極面積 8 m m 2 ) を作製し、 判定電流値を I m A Z c m 2 と して絶縁 破壊電界 8 M V , c m以上のものを良品と して、 ゥエーハ面内 1 0 0 点を測定するこ とによ り 、 良品率を算出し、 良品率 9 5 %以上をボイ ド フ リ ーと判断した。 To measure the TZDB non-defective rate, a thermal oxide film of 25 nm was formed on the surface of the wafer, and a phosphorus (P) -doped polysilicon electrode (electrode area: 8 mm 2 ) was formed on it. Calculate the non-defective product ratio by measuring 100 points in the wafer surface as a non-defective product with a breakdown electric field of 8 MV, cm or more with the judgment current value of ImAZ cm 2 . The non-defective rate of 95% or more was judged to be void free.
また、 結晶の引上げ条件は標準 ( V = 1 . 1 m m Z m i n 、 V / G = 0 . 3 7 mm 2 / K - m i n ) で、 窒素濃度を高濃度化して C O Pのサ ィズを小さ く するこ とによって、 標準ァニール条件によ り ボイ ド欠陥の ない無欠陥層の深さを 3 μ πα以上とするためには、 8 X I 0 14/ c m 3 以上の濃度が必要であった。 The crystal pulling conditions are standard (V = 1.1 mm Z min, V / G = 0.37 mm 2 / K-min), and the nitrogen concentration is increased to reduce the size of COP. As a result, a concentration of 8 XI 0 14 / cm 3 or more was required in order to make the depth of the defect-free layer having no void defect 3 μπα or more under standard annealing conditions.
しかし、 偏析係数と窒素の固溶限界の関係から、 このよ う な高濃度で は引上げ結晶の単結晶化が困難にな り 、 単結晶製造の歩留ま り が著しく 低下してしまった。  However, due to the relationship between the segregation coefficient and the solid solubility limit of nitrogen, it was difficult to crystallize the pulled crystal at such a high concentration, and the yield of single crystal production was significantly reduced.
続いて、 結晶の引上げ条件は標準のままで、 C O Pサイズが平均 1 3 O n m程度になる窒素濃度 ( 3 X 1 0 13/ c m 3 ) において、 ァニール 条件によ るボイ ド欠陥のない無欠陥層の深さの改良を試みた。 Next, the crystal pulling condition is the same as the standard, and at the nitrogen concentration (3 × 10 13 / cm 3 ) where the COP size is about 13 O nm on average, there is no defect with no void defect due to the anneal condition. An attempt was made to improve the depth of the layer.
その結果、 ァニール温度 1 2 0 0 °Cでは 4時間のァニールでよ うやく 3 μ mの深さ となった。 しかし、 このよ う な長時間熱処理する方法では、 コ ス ト高になるので、 ァニール温度の高温化を試みたと ころ、 1 2 3 0 °C まで高温化し、 1 時間のァニ一ルを施すこ とによって、 3 μ mのボイ ド 欠陥のない無欠陥層の深さ を達成するこ と ができた。  As a result, at an anneal temperature of 1200 ° C, a depth of 3 μm was finally reached with anneal for 4 hours. However, such a long-time heat treatment increases the cost, so when trying to raise the anneal temperature, the temperature was raised to 230 ° C and anneal was performed for 1 hour. As a result, it was possible to achieve a defect-free layer depth of 3 μm without void defects.
さ らに、 前記 V Z G値の低下 ( 0 . 1 7 mm 2 / K · m i n以下) に よる C O Pサイ ズの縮小化と熱処理の高温化 ( 1 2 5 0 °C、 1 時間) を 組み合わせたと ころ、 6 μ ιη以上の C O Pのない無欠陥層の深さを達成 するこ とができた。 Furthermore, the combination of the reduction of the COP size due to the decrease in the VZG value (0.17 mm 2 / K · min or less) and the high temperature of the heat treatment (1250 ° C, 1 hour) was combined. Thus, a COP-free defect-free layer depth of 6 μιη or more could be achieved.
尚、 熱処理条件と して、 1 2 3 0 °C以上の温度であれば、 よ り 高い温 度と した方が表層の C O P をよ り短時間で除去するこ とができ るが、 物 理的にシ リ コ ンの融点未満とする必要があ り 、 ゥェ一ハの汚染、 炉の耐 久性を考える と、 1 3 5 0 °C以下とするのが好ま しい。 In addition, if the heat treatment condition is a temperature of 1230 ° C or more, a higher temperature Although it is possible to remove COP in the surface layer in a shorter time, it is necessary to physically reduce the COP to a level lower than the melting point of silicon. Considering the durability, it is preferable to keep the temperature at 135 ° C. or less.
熱処理時間も 1 時間以上とすれば、 よ り 無欠陥層を深く するこ と がで き るが、 余 り に長く熱処理する と無駄であるので 3時間以下とするのが 好ま しい。  If the heat treatment time is also 1 hour or more, the defect-free layer can be made deeper, but if the heat treatment is too long, it is useless, so that it is preferably 3 hours or less.
本発明の熱処理は、 ゥエ ーハの熱処理に通常使用 されている抵抗加熱 式の熱処理炉を使用すればよい。 こ の抵抗加熱式の熱処理炉は、 複数枚 のゥエ ーハを一度に処理可能な、 いわゆるバッチ炉であ り 、 一般的には、 縦型炉と横型炉とがある。 横型のバッチ炉と しては、 東京エレク ト ロ ン 社製の U L — 2 6 0 — 1 0 Hのよ う な装置を挙げるこ とができ る。  The heat treatment of the present invention may use a resistance heating type heat treatment furnace usually used for heat treatment of wafers. This resistance heating type heat treatment furnace is a so-called batch furnace that can process a plurality of wafers at a time, and generally includes a vertical furnace and a horizontal furnace. Examples of the horizontal batch furnace include an apparatus such as UL-260-10H manufactured by Tokyo Electron Limited.
こ の熱処理炉による熱処理は、 窒素を ドープして育成された単結晶を スライス して得たゥェ一ハに対して、 アルゴン等の不活性ガスまたは水 素あるいはこれらの混合ガスの雰囲気下、 温度 1 2 3 0 °C以上、 1 時間 以上の熱処理を施すものである。 この熱処理によ り ゥエ ーハの表面から 3 /x m以上の深さにわたって、 C O Pのない無欠陥層を形成するこ とが 出来る。  The heat treatment in this heat treatment furnace is performed on a wafer obtained by slicing a single crystal grown by doping with nitrogen, in an atmosphere of an inert gas such as argon, hydrogen, or a mixed gas thereof. The heat treatment is performed at a temperature of 1 230 ° C or more for 1 hour or more. By this heat treatment, a defect-free layer without COP can be formed over a depth of 3 / x m or more from the wafer surface.
以下、 本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、 本発明はこれら に限定されるものではない。  Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
(実施例) (Example)
[単結晶の引上げ]  [Pulling of single crystal]
原料多結晶中に窒化膜付き ゥエ ーハを所定量投入し、 直径 3 0 0 m m の単結晶を次の条件で引上げた。  A predetermined amount of wafer with a nitride film was charged into the raw material polycrystal, and a single crystal having a diameter of 300 mm was pulled under the following conditions.
共通条件 : 固液界面温度勾配 G 9 4 K / m m  Common conditions: Solid-liquid interface temperature gradient G 94 K / m m
試験 1 :  Exam 1:
V = 1 . l m m / m i n 、 V / G = 0 . 3 7 m m κκ m i η  V = 1.lmm / min, V / G = 0.37mm κκm i η
試験 2 : 9 Exam 2 : 9
V = 0 . 7 m m/m i n 、 V / G = 0 . 2 4 m m 2 / K ' m i n 、 V = 0.7 mm / min, V / G = 0.24 mm 2 / K'min,
試験 3 :  Exam 3:
V = 0 . 5 m m / m i n 、 V / G = 0 . 1 7 m m 2 / K ' m i n 、 V = 0. 5 mm / min , V / G = 0. 1 7 mm 2 / K 'min,
試験 4 :  Exam 4:
V = 0 . 3 8 mm/ m i n 、 V / G = 0 . 1 3 mm2 / K ' m i n 、 試験 5 : .. V = 0 3 8 mm / min, V / G = 0 1 3 mm 2 / K 'min, Test 5:
V = 0 . 8 m m / m i n , V / G = 0 . 2 7 m m 2 / K ' m i n 、 V = 0. 8 mm / min , V / G = 0. 2 7 mm 2 / K 'min,
投入した窒化膜付き ゥエーハの窒化膜の量と原料多結晶の量、 および 窒素偏析係数を考慮した計算によ り 、 試験 1 〜 4 は、 窒素濃度が 3 X I 0 13 となる結晶の位置から ゥエーハを切り 出し、 試験 5 は、 1 X 1 0 15 となる位置から ゥェ—ハを切 り出した。 そして、 これらのゥエーハに対 して次の熱処理条件を組合わせて熱処理を施した。 次いで、 ゥエーハ表 面の無欠陥層の深さ ( C O P フ リ ー深さ) を前記 T Z D B良品率から求 めた。 The amount and the amount of the polycrystalline raw material of the nitride film of the charged nitride film coated Ueha, and nitrogen Ri by a segregation coefficient in the calculation that takes into account, tests 1-4, Ueha from the position of the crystal in which the nitrogen concentration of 3 XI 0 13 the cut out, test 5, © E from a position which is a 1 X 1 0 15 - leaves the out Ri off. Then, these wafers were subjected to a heat treatment in combination with the following heat treatment conditions. Next, the depth of the defect-free layer on the wafer surface (COP free depth) was determined from the TZDB non-defective rate.
熱処理条件 (温度 時間) : 1 2 0 0 °C / 1 H r 、 1 2 0 0 °C / 4 H r , 1 2 3 0 °C/ l H r , 1 2 5 0 °C/ l H r 、 の 4水準 (いずれもァルゴ ンガス 1 0 0 %雰囲気)。  Heat treatment conditions (Temperature time): 1200 ° C / 1 Hr, 1200 ° C / 4 Hr, 123 ° C / l Hr, 125 ° C / lHr 4 levels (all in 100% argon gas atmosphere).
以上の単結晶引上げ条件、 熱処理条件およびゥエーハ表面の無欠陥層 の深さの関係を表 1 にま と めて示した。 Table 1 shows the relationship between the above single crystal pulling conditions, heat treatment conditions, and the depth of the defect-free layer on the wafer surface.
(表 1 ) (table 1 )
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0001
[註] ① 固液界面温度勾配 G= 2. 9 4 KZmm—定、 ② N C :窒素濃度 [ c m3 ]、 ③ V:引上げ速度 [mm/m i n]、 ④ V/G :パラメータ [mm2 /K · m i n][Note] ① Temperature gradient of solid-liquid interface G = 2.94 KZmm—constant ② NC : Nitrogen concentration [cm 3 ], ③ V: Pulling speed [mm / min], ④ V / G: Parameter [mm 2 / K · min]
CO Pフリーの深さ 記 号 COP-free depth symbol
d (μ m) d < 1 D  d (μm) d <1 D
d ^ 3 C  d ^ 3C
3 < d < 6 B  3 <d <6 B
d≥ 6 A 表 1 から、 窒素濃度が 3 X I 0 13程度の比較的低濃度の直径 3 0 0 m m以上のシ リ コ ン単結晶ゥエ ーハに、 1 2 0 0 ° (:、 1 時間の熱処理を行 い、 表層に十分な深さ (少なく と も 3 μ πι ) のある C O Pのない無欠陥 層を有するシ リ コ ン単結晶ゥエーハを製造するには、 先ず、 シ リ コ ン単 結晶の引上げにおいて、 Vノ G値を 0 . 1 7 m m 2 / K ' m i n以下に なるよ う に引上げ速度 Vと固液界面温度勾配 Gを制御して単結晶を育成 し、 C O Pサイズを縮小させるのがよいこ とが判る。 また、 熱処理温度 と しては、 1 2 5 0 °C以上とすれば、 V Z Gが 0 . 1 7 よ り 大き く 、 窒 素が比較的低濃度 ( 3 X 1 0 13) でも、 1 時間で無欠陥層の深さを 3 /X mを超える深さ とする こ とができ、 1 2 3 0 °Cで熱処理すれば、 1 時間 で無欠陥層の深さを約 3 / mにするこ とができ るこ とが判った。 そして こ の V Z G値を 0 . 1 7 m m 2 / K · m i n以下と して育成した単結晶 から切り 出したゥエ ー八に 1 2 3 0 °C以上、 1 時間以上、 不活性ガス雰 囲気下の熱処理を施せば、 ゥエ ーハ表面から 6 ミ ク ロ ン以上にわたって C O Pのない無欠陥層が存在する高品質、 高機能を有する熱処理ゥエ ー ハをも製造するこ とができ る こ とがわかる。 d≥ 6 A From Table 1, the nitrogen concentration in the 3 XI 0 13 about a relatively low concentration of diameter 3 0 0 mm or more sheet re co down monocrystalline © e Doha, 1 2 0 0 ° (: , heat-treated for one hour In order to produce a silicon single crystal wafer with a COP-free defect-free layer with a sufficient depth (at least 3 μπι) on the surface layer, the silicon single crystal must first be pulled. It is important to control the pulling speed V and the solid-liquid interface temperature gradient G so that the V value G becomes 0.17 mm 2 / K'min or less to grow single crystals and reduce the COP size. If the heat treatment temperature is set to 125 ° C. or higher, VZG is larger than 0.17, and the nitrogen concentration is relatively low (3 × 10 13 ). However, it is possible to increase the depth of the defect-free layer to more than 3 / X m in one hour, and if the heat treatment is performed at 123 ° C, the depth of the defect-free layer can be reduced to about 3 / m The VZG value was set at 0.17 mm 2 / K · min or less, and the sample was cut from a single crystal grown at 1 230 ° C for 1 hour. As described above, if heat treatment is performed in an inert gas atmosphere, a high-quality, high-performance heat treatment wafer in which a defect-free layer without COP exists over 6 micron or more from the wafer surface can be obtained. You can see that it can be manufactured.
さ らに、 熱処理雰囲気を水素ガス 1 0 0 %、 あるいは水素とアルゴン の混合ガス雰囲気と して熱処理しても表 1 と同様の結果が得られるこ と を確認した。  Furthermore, it was confirmed that the same results as in Table 1 were obtained even when the heat treatment was performed with a hydrogen gas atmosphere of 100% or a mixed gas atmosphere of hydrogen and argon.
なお、 本発明は、 上記実施形態に限定される も の ではない。 上記実施 形態は、 例示であ り 、 本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想 と実質的に同一な構成を有し、 同様な作用効果を奏する ものは、 いかな る も のであっても本発明の技術的範囲に包含される。 Note that the present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and has the same function and effect. However, they are also included in the technical scope of the present invention.
例えば、 本発明方法が適用でき るシ リ コ ンゥエーハの直径は、 3 0 0 m mに限られるも のではない。 なぜな らば、 本発明方法によ り 、 V / G 値を 0 . 1 7 以下と し、 C O Pサイズを小さ く する こ と によって、 その 後の熱処理で無欠陥層の深さを深く でき るのは、 ゥエ ーハ直径にかかわ らず適用でき るからである。 すなわち、 Vノ G値は、 シ リ コ ン単結晶の 直径にかかわ らず、 適用でき るパラ メ ータ であ り 、 本発明方法は今後の 更な る大直径化、 例えば 4 O O m m、 5 0 0 m m , あるいはそれ以上に ついても適用可能である と い う利点がある。 For example, the diameter of a silicon wafer to which the method of the present invention can be applied is not limited to 300 mm. The reason is that the V / G value can be reduced to 0.17 or less and the COP size can be reduced by the method of the present invention, whereby the depth of the defect-free layer can be increased by the subsequent heat treatment. This is related to the wafer diameter. This is because it can be applied. That is, the V-no G value is a parameter that can be applied regardless of the diameter of the silicon single crystal, and the method of the present invention will further increase the diameter in the future, for example, to 400 mm, The advantage is that it can be applied to 500 mm or more.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 直径 3 0 0 m m以上のシリ コ ン単結晶ゥェ一ハであって、 表面か ら 3 ミ ク 口 ン以上にわたって C O Pのない無欠陥層が存在する こ と を特 徴とするシ リ コ ン単結晶ゥエーハ。 1. A silicon single crystal wafer with a diameter of 300 mm or more, characterized by the existence of a defect-free layer without COP from the surface over 3 μm or more. Con single crystal wafer.
2 . チ ヨ ク ラルス キー法によ り 窒素を ドープして直径 3 0 0 m m以上 の シ リ コ ン単結晶を引上げる際に、 引上げ速度を V [ m m / m i n ] と し、 シ リ コ ンの融点から 1 4 0 0 °Cの間の引上げ軸方向の結晶内温度勾 配の平均値を G [ K / m m ] で表した時、 / G [ mm 2 / K · m i n ] の値を 0 . 1 7以下と して結晶を育成する こ と を特徴とするシ リ コ ン単 結晶の製造方法。 2. When doping nitrogen by the chiral chiral method and pulling a silicon single crystal with a diameter of 300 mm or more, the pulling speed is set to V [mm / min]. when the average value of the pulling axis direction within the crystal temperature gradient of between emissions of melting of 1 4 0 0 ° C was expressed by G [K / mm], the value of / G [mm 2 / K · min] A method for producing a silicon single crystal, which comprises growing the crystal to 0.17 or less.
3 . 前記窒素を ドープする際の窒素濃度を 1 X I 0 13/ c m 3 以上と して結晶を育成する こ と を特徴とする請求項 2 に記載のシリ コ ン単結晶 の製造方法。 3. The method for producing a silicon single crystal according to claim 2, wherein the crystal is grown by setting the nitrogen concentration at the time of doping with nitrogen to 1 XIO 13 / cm 3 or more.
4 . 直径 3 0 0 m m以上の窒素が ドープされたシ リ コ ン単結晶ゥエー ハに熱処理を施すシリ コ ン単結晶 ゥェ一ハの製造方法において、 不活性 ガスまたは水素あるいはこれらの混合ガスの雰囲気下、 1 2 3 0 °C以上、 1 時間以上の熱処理を施すこ と を特徴とするシリ コ ン単結晶ゥエーハの 製造方法。 4. In a method for producing a silicon single crystal wafer in which nitrogen having a diameter of 300 mm or more and doped with nitrogen is subjected to a heat treatment, an inert gas, hydrogen, or a mixed gas thereof is used. A method for producing a silicon single crystal wafer, wherein a heat treatment is carried out at a temperature of at least 120 ° C. for at least one hour in the above atmosphere.
5 . 請求項 2 または請求項 3 で製造されたシ リ コ ン単結晶をス ラ イ ス して得られるシリ コ ン単結晶 ゥエーハに、 請求項 4 で規定する熱処理を 施すこ と を特徴とするシ リ コ ン単結晶ゥエーハの製造方法。 5. The silicon single crystal wafer obtained by slicing the silicon single crystal produced in claim 2 or 3 is subjected to the heat treatment specified in claim 4. To produce silicon single crystal wafers.
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